JP4800755B2 - 超電導体ケーブルシールド用の接続装置 - Google Patents

Description

本発明は、コールド誘電性超電導体ケーブルシールド、とりわけ種々の相に対する超電導体ケーブルシールド用の接続装置に関する。

高電圧超電導体ケーブルによって、高効率な電力輸送が可能であり、抵抗性導電体からなる従来のケーブルよりも格段に小さなケーブルセクションを使用することができ、同時にケーブルでの電力損失、とりわけジュール効果による損失を制限することができる。なぜならこの現象は超電導体では非常に小さいからである。損失を低減するために電力は多相交流(AC)の形態で、一般的に3相交流で輸送され、1つの相ケーブルが各相に専用に使用される(3相交流の場合は3つの別個の相ケーブル)。

「コールド誘電体」超電導体相ケーブルは、少なくとも次のものにより形成される中央導電体からなる：超電導体部分(以下、「中央超電導体」と称する)、前記超電導体を取り囲む電気絶縁体(以下「誘電体」と称する)、前記誘電体を取り囲むシールド(このシールドは完全にまたは部分的に超電導体により構成することができる)、そして前記シールドを取り囲む極低温エンクロージャまたは「クリオスタット」からなる。前記クリオスタットは一般的に2つの同心のカバーからなり、それらは熱的にそれぞれ分離されている(例えば10^-5mbarの真空により)。クリオスタットの内部カバーの内側に含まれる極低温流体は中央超電導体を、誘電体を通して(従って「コールド誘電体」と称される)、超電導体が超電導状態となる温度まで冷却する(この温度はいわゆる「高温」超電導体に対しては-196℃のオーダーにある)。

安全性の理由から、ケーブルに適用される電圧がいったん所定の値(例えばフランスでは1kV)に達すると、ケーブルにシールドを設けるのは義務である。このシールドはアース電位、一般的には大地に接続されている。このことは、ケーブルと偶発的に接触した場合の感電死による危険性を回避する。このようなことは、人が電気ケーブルの埋設された地面を掘り起こすような場合に生じる。

コールド誘電体超電導体ケーブルにより、同程度の電流が中央超電導体とシールド(とりわけシールドが完全にまたは部分的に超電導体により構成されている場合)に流れることがある。高電圧ケーブルに対してこの電流の大きさは例えば2400Aまでの高さとなることがあり、従ってシールドを大地に直接接続することは不可能である。この問題の解決手段は、相ケーブルのシールドを相互接続することである。生じる電流は相電流のベクトル和であり、従って生じる電流の大きさはゼロまたはほぼゼロであり、大地に接続することができる。3相交流に対しては3つ全ての相のシールドを相互接続するのに2つのケーブルで十分であり、相ベクトルを相殺した後に大地と接続するのに抵抗ケーブル(例えば銅ケーブル)が一般的に使用される。にもかかわらず、シールドを抵抗ケーブルにより相互接続すると、ジュール効果による熱損失および電力損失が生じ、そのため超電導体を冷却するための極低温流体の消費量が増え、装置の電気的効率が全体として低下する。さらに熱損失が過度に大きいと、抵抗性リンク周囲の温度が上昇し、このことは極低温流体が超電導体周囲を効率的に冷却することを妨げる。超電導体部分が超電導状態から通常電導状態に切り替わることもあり、これにより装置の電気的効率がさらに悪化する。

本発明の課題はこの技術的問題を解決し、超電導相ケーブルのシールド用の接続装置を提供するものであり、各ケーブルは中央超電導体と、前記中央超電導体を取り囲む誘電体と、前記誘電体を取り囲むシールドと、前記シールドを取り囲むクリオスタットとを有し、前記クリオスタットは極低温流体を含むことができるようにする。

前記課題は本発明により、
リンク超電導体ケーブルを前記シールド間に有し、
前記リンクケーブルはリンク超電導体と、該リンク超電導体を取り囲む極低温シースとを有し、
前記リンク超電導体の2つの端部のそれぞれは前記シールドのそれぞれ1つと接続手段により接続されており、該接続手段は導電性かつ伝熱性であることを特徴とする接続装置により解決される。

実施例では、リンク超電導体は導電性かつ伝熱性の支持部を有し、該支持部はその周囲に巻き付けられた超電導撚り線を備える。この巻き付けられた超電導撚り線はテープまたはワイヤの形態とすることができる（例えばBi₂Sr₂Ca₂Cu₂Cu₃O形の超電導テープ）。前記接続手段は前記極低温流体と熱接触しており、かつ前記接続手段は前記支持部と熱的かつ電気的に接続されており、前記超電導撚り線は前記接続手段と前記支持部に沿った熱伝導によって冷却される。支持部は金属からなり、この金属は電気的にも熱的にも良伝導体である、例えば銅であり、硬質バー、チューブ、または金属ケーブル（例えばエナメル被覆銅ワイヤのケーブル）の形態とすることができる。

有利には前記極低温シースはクリオスタットに、例えば「ジョンストン（Johnston）」型カップリングによって接続することができ、このカップリングは前記極低温シースの内容物と前記クリオスタットの内容物とをシールすることができる。

前記接続手段には、前記クリオスタットと前記シースの内側との間に極低温流体を通過させるための手段を設けることができ、これにより前記リンク超電導体は極低温流体と接触することにより冷却され、少なくとも部分的に冷却される。

前記接続手段は有利には接続ピースを有し、この接続ピースは第一に前記リンク超電導体の端部に、第二に前記シールドに接続されている。この接続ピースは前記シールドにフレキシブルな接続部（例えば金属ブレードの集合）を介して、または中間ピースを使用して接続することができ、この中間ピースは第一に前記シールドにスライド式電気接点（例えば多接点ブレード）を介して接続することができ、第二に前記接続ピースに固定されている。

別の実施例では、前記シールドは導体接合エレメントによって取り囲まれており、前記シールドと前記接合エレメントは電気的に相互接続されており、前記シールドは前記接続手段に前記接合エレメントを介して接続されている。前記中間ピースは、前記接合エレメントにスライド式接点によって接続することができる。このスライド式接点は例えば、接合エレメントと中間ピースとの間に挿入された金属ブレードによって構成される。

前記接合エレメントはチューブにより形成することができ、このチューブの内壁は前記シールドの外壁に、有利には融解温度の低い合金を使用したソルダリングまたはろう付けによって固定されている。

本発明の別の利点および特徴は、添付図面を参照した以下の本発明の実施例の説明から明らかとなる。ただしこの実施例は本発明を限定するものではない。

図１で２つの相ケーブル１０と１２は同じものであり、それぞれは誘電体により取り囲まれた中央超電導体14を有する。誘電体自体はシ―ルド16により包囲されており、このシールドは伝熱性かつ導電性または超電導性の材料により形成されており、例えば銅テープ層と超電導テープ層から形成されるケーブルである。誘電体は超電導体ケーブルにより規定される電界に耐え得るよう選択および構成されている絶縁材料により形成されている。これにより、シールド（ゼロボルト（V)の電位）と中央超電導体（高電圧）との間のブレークダウンが回避される。例として誘電体はポリプロピレン被覆紙またはPPLPとして知られている紙ベースの複数のポリプロピレン層から形成されている。

接合エレメント18はシールド16を、シールドの全長の小さな一部分でだけ取り囲んでおり、このシールドに接合エレメントは電気的にも熱的にも接続している。接合エレメント18はチューブまたはリングの形態とすることができ、その内壁はシールド16の外側面に直接ソルダリングまたはろう付けされている。接合エレメントは電気的な良導電材料、例えば銅から作製される。ソルダリングまたはろう付けは有利には溶解温度の低い合金を使用することにより実現される。

極低温エンクロージャまたはクリオスタット20は環状の形状で、内壁24と外壁22から構成されており、接合エレメントを取り囲んでいる。極低温流体、例えば液体窒素は内壁の内側を流れることができ、これにより相超電導体14を冷却する。熱絶縁が内壁22と外壁24との間に施されており（例えば10^-5mbarの真空）、これにより極低温流体の温暖化と、前記流体の大量の消費を回避する。

2つの超電導体相ケーブル10，12のシールド16と26を相互接続するための装置は、リンク超電導体ケーブル30を有し、このケーブルはリンク超電導体32と、このリンク超電導体32をシールド16または26に接続するための手段36とによって構成される。リンク超電導体32は極低温シース34により取り囲まれており、この極低温シースは好ましくは相互に熱絶縁された（例えば真空によって）2つの同心カバーにより構成される。

リンク超電導体ケーブル30とシールド16および26との間の接続は同じであり、シールド16とリンクケーブル30との接続だけが示されている（図1の左部分）。

超電導体32は機械的支持部40（図6参照）によって構成されており、この機械的支持部はその上に、支持部に巻き付けられたテープまたはワイヤの形態の超電導撚り線42および44の1つまたは複数の層を有する。1つまたは複数の付加的層46はカーボンブラックまたは誘電材料の形態にあり、オプションとして超電導テープ42と44の層を取り囲むことができる。機械的支持部40は導電材料、例えば銅から作製され、テープ42および44が超電導状態から通常の導電状態に切り替わる場合に電流を通過させる。支持部40は、ケーブル、または硬質チューブ、またはフレキシブルチューブとすることができる。例えばカーボンブラック、またはステンレススチールテープ、または紙からなる種々の形式の層を、超電導テープ42と44の層の間に挿入することができる。これらの層はそれぞれ、超電導テープ層の外径にわたる電位をスムーズにし、超電導テープを良好に保護し、かつ機械的に強固にし、またはリンク超電導体と極低温シース34とをその全長または一部にわたって電気絶縁するために用いられる。超電導テープ42と44は支持部40に、両端部46と48(図1)でソルダリングまたはろう付けされている。

接続手段36は接続ピース50(図1)を有し、この接続ピースはリンク超電導体32の端部46に固定されている。この接続ピースは、熱的かつ電気的な良伝導材料、例えば銅のブロックから作製される。接続ピース50はリンク超電導体32の端部46にソルダリングまたはろう付け52(図1および図2)によって、超電導テープ42と44に適合した温度で固定されている。接続ピースのソルダリングまたはろう付けは、超電導テープ42と44と支持部40の2つの端部46、48とのソルダリングまたはろう付けとは独立して実行することができる。

接続手段36はまたフレキシブルな接続部54(図1および2）を有し、この接続部は接続ピース50を接合エレメント18に電気的に接続する。フレキシブルな接続部54は複数の金属ブレードからなり、接続ピース50にソルダリングされており、機械的および電気的に端子ラグ56によって接合エレメント18に固定されている。ブレードおよびそのセクションの数は、輸送すべき最大電流の関数として選択されている。

極低温シース34の２つの端部は、相ケーブルのそれぞれ1つのクリオスタットに締結されている。この締結は、極低温シースとクリオスタットとの間の熱的絶縁の連続性を保証し、極低温流体の温暖化を回避するように行わなければならない。この形式の締結は、有利にはジョンストン（Johnston）型のカップリング58を使用することにより実現でき、これは当業者には周知である。この形式のカップリングは、雄部分と雌部分を有し、これらは相互に係合する。極低温シース34はジョンストン（Johnston）型カップリングの雄部分に例えばソルダリングにより固定することができ、またカップリングの雌部分は相ケーブルのクリオスタットの内壁24と外壁22との間にソルダリングされている。このようなカップリングは極低温輸送ラインを形成するために例えばネクサンズ（Nexans）社により販売されている。

接続ピース50をクリオスタット20に締結することは2つの異なる手段で、リンク超電導体32に対して選択された冷却方法により実現することができる。

第1実施例で冷却は、接続ピース50と、リンク超電導体32の支持部40に沿った熱伝導によって行われる。クリオスタット20に含まれる極低温流体は極低温シース34を通過しない。従ってクリオスタット20とシース34との間をシールすることが必要である。このシールは、接続ピース50をクリオスタット20の内壁24に対して締め付けることによって、またはカップリング58の雄部分と雌部分との間を締め付けることによって行うことができる。

第2実施例では、リンク超電導体32がクリオスタット20の極低温流体と直接接触することにより冷却される。このような環境では、接続ピース50を漏れのないようしっかり締結する必要がなく、また通路を前記接続ピースに設けることができ、これによりクリオスタット20の極低温流体を、極低温シース34とリンク超電導体32との間の空間31に通過させることができる。

この第2実施例では、リンク超電導体32の一部も熱伝導により冷却されることが観察される。このことによりとりわけ接続ピース50を通過する極低温流体の流量が制限される場合、極低温流体の対流によるリンク超電導体の直接冷却を、支持部40および接続手段36に沿った熱伝導によって補うことができる。

図1，2，3，4を参照して説明される、接続ピース50と接合エレメント18との種々様々な接続はすべて熱収縮を可能にし、または収容すべきケーブルの交換を可能にする。図3と4では、ケーブルの熱収縮が接点ブレード66(多接点ブレード）による接続個所で適合され、この接点ブレードは2つの同心部分18と60の間に配置されている。この2つの同心部分は相互にソルダリングされており、電気的接触が常に両方の部分18と60に接触するブレードによって維持されている。図1と2では、接点ブレードは存在せず、熱収縮中の電気接続は運動するブレード54によって維持される。部分16，18，14は共にケーブルの軸に沿って運動するが、特別に長く形成されたブレード54は前記運動の発生を許容し、電気接続は維持される。この実施例が図1，2，3，4に示されており、これらの実施例は全てケーブルの熱収縮を許容し、または収容すべきケーブルの交換を許容する。これらの実施例は中央超電導体14，誘電体、およびシールド16により形成される相超電導体10の部分が運動することができるという環境にとりわけ良好に適合する（とりわけこの設備は極低温流体の注入により冷却されるが、熱収縮が発生するのは、これら3つの機械的相互接続エレメントの全長にわたってだからである）。

図3では、接続手段36が接続ピース50と中間ピース60を有する。中間ピースはリングまたはシリンダの形態であり、チューブ形状のカップリング62が設けられている。接続ピース50はカップリング62に突入しており、従って接続ピース50と中間ピース60との間の電気接続が行われる。有利にはカップリング62にはスライド式電気接点64が設けられており、この電気接点は複数の導電性接点ブレードにより形成される。従ってこれにより接続ピース50と中間ピース60の脱着が容易になる。この形式の接点ブレードは例えばMulticontact社により販売されており、当業者には周知である。別のスライド式電気接点66が有利には金属接点ブレードを介して、中間ピース60と接合エレメント18との間に組み込まれている。接合エレメント18はシールドに（ろう付けまたはソルダリングにより）固定されているから、前記エレメント18、シールド16および超電導体14により形成されるアセンブリは中間ピース60内をスライドすることができる。従ってスライド式接点66は、中央超電導体14，誘電体、およびシールド16により形成される相超電導体部分10が運動する場合でも電気接続を維持する。スライド式金属接点ブレード66は好ましくは中間ピース60に固定されている。接合エレメント18と中間ピース60の長さは好ましくは同じであり、予想される熱収縮の関数として選択されている。

図4に示された実施例は図3の実施例より簡単である。中間ピース60はもはやカップリング62を有しておらず、接続ピース50に例えばソルダリングまたはろう付けにより直接固定されている。中間ピース60と接続ピース50は1つの適合ピースによって構成することができる。

相超電導体14が運動しないことが予想される場合、または熱収縮の総量が小さい場合（例えば超電導体相ケーブルの長さが短い場合）、接続ピース50と接合エレメント18との接続は、図5に示すように固定であっても良い。この場合、接続ピース50は接合エレメント18に、ソルダリングまたはろう付けにより直接固定される。接合エレメント18はシールド16に、例えばソルダリングまたはろう付け、または機械的締め付けにより固定することができる。接続ピース50と接合エレメント18は1つの適合ピースを形成することができる。択一的にピース50とエレメント18との間の固定接続を、図3の実施例のようにスライド式接点を有する可動接続により交換することができ、これにより超電導体リンクケーブルの設置および除去が容易になる。

本発明の複数の実施例を上に説明したが、本発明は2つだけの超電導体相ケーブルのシールドの相互接続に限定されるものではない。全ての相のシールドを、直列に接続することにより相互接続することができる。例えば3相交流に対しては、第1位相のシールドが、第3位相のシールドに接続された第2位相のシールドに接続される。

もちろん本発明は前記実施例および変形例に限定されるものではなく、当業者が適宜に適用することができる。

図１は、２つの超電導体相ケーブルと、これら２つのケーブルのシールドに対する接続装置を示す断面図である。 図２は、リンク超電導体と超電導体相ケーブルのシールドとの接続の実施例を示す図である。 図３は、リンク超電導体と超電導体相ケーブルのシールドとの接続の実施例を示す図である。 図４は、リンク超電導体と超電導体相ケーブルのシールドとの接続の実施例を示す図である。 図５は、リンク超電導体と超電導体相ケーブルのシールドとの接続の実施例を示す図である。 図６は、リンク超電導体の一部の斜視図である。

Claims (19)

1. 各ケーブルが、中央超電導体(14)、前記中央超電導体を取り囲む誘電体、および前記誘電体を取り囲むシールド(16)を有する超電導体相ケーブル(10，12)のシールド(16，26)に対する接続装置であって、リンク超電導体(32)を前記シールド間に有し、前記リンク超電導体(32)の2つの端部(46，48)のそれぞれは前記シールド(16，26)のそれぞれ1つと接続手段(36)により接続されており、該接続手段は導電性かつ伝熱性である、接続装置において、
   前記超電導体相ケーブルの各々の前記シールド(16，26)はそれ自体のクリオスタット(20)によって取り囲まれており、前記クリオスタットは極低温流体を含むことが可能であり、リンク超電導体ケーブルは前記リンク超電導体(32)と該リンク超電導体を取り囲む極低温シース(34)とを備えることを特徴とする接続装置。
2. 前記リンク超電導体(32)は導電性かつ伝熱性の支持部(40)を有し、
   該支持部はその周囲に巻き付けられた超電導撚り線(42，44)を備え、
   前記接続手段(36)は前記極低温流体と熱接触しており、かつ前記接続手段は前記支持部(40)と熱的かつ電気的に接続されており、
   前記超電導撚り線(42，44)は、前記接続手段(36)と前記支持部(40)に沿った熱伝導によって冷却される、請求項1に記載の接続装置。
3. 前記支持部(40)は電気的にも熱的にも良伝導体である金属からなる、請求項2に記載の接続装置。
4. 前記接続手段(36)には、前記クリオスタット(20)と前記シース(34)の内側(31)との間に極低温流体を通過させるための手段を設けられており、
   前記リンク超電導体(32)は極低温流体と接触することにより冷却され、少なくとも部分的に冷却される、請求項1から3のいずれか一項に記載の接続装置。
5. 第一に前記接続手段(36)は、前記リンク超電導体(32)の端部(46)と、第二に前記シールド(16)とに接続された接続ピース(50)を有する、請求項1から4のいずれか一項に記載の接続装置。
6. 前記接続ピース(50)は前記シールド(16)に、フレキシブルな接続部(54)を介して接続されている、請求項5に記載の接続装置。
7. 前記フレキシブルな接続部は、金属ブレード(54)の集合により形成されている、請求項6に記載の接続装置。
8. 前記接続ピース(50)は前記シールド(16)に、フレキシブルな中間ピース(60)を介して接続されている、請求項5に記載の接続装置。
9. 前記中間ピース(60)は前記シールド(16)に、スライド式電気接点(64)を介して接続されている、請求項8に記載の接続装置。
10. 前記スライド式接点(64)は、前記接続ピース(50)と前記中間ピース(60)との間に挿入された金属ブレードにより構成されている、請求項9に記載の接続装置。
11. 前記中間ピース(60)は前記接続ピース(50)に固定されている、請求項8に記載の接続装置。
12. 前記シールド(16)は、導電性接合エレメント(18)により取り囲まれており、
    前記シールド(16)と前記接合エレメント(18)は電気的に相互接続されており、
    前記シールドは前記接続手段(36)に前記接合エレメント(18)を介して接続されている、請求項1から11のいずれか一項に記載の接続装置。
13. 前記中間ピース(60)は前記接合エレメントに、スライド式接点(66)を介して接続されている、請求項8または12に記載の接続装置。
14. 前記スライド式接点(66)は、前記接合エレメントと前記中間ピースとの間に挿入された金属ブレードにより構成されている、請求項13に記載の接続装置。
15. 前記接合エレメント(18)はろう付けまたはソルダリングによって前記接続ピース(50)に締結されている、請求項12に記載の接続装置。
16. 前記接合エレメント(18)はチューブにより形成されており、該チューブの内壁は前記シールドの外壁に固定されている、請求項12から15のいずれか一項に記載の接続装置。
17. 前記接合エレメント(18)は前記シールド(16)に、溶融温度の低い合金を使用したソルダリングまたはろう付けにより固定されている、請求項16に記載の接続装置。
18. 請求項1から17までのいずれか一項記載の接続装置において、前記極低温シース(34)は前記クリオスタット(20)に、漏れのないカップリング(58)を介して接続されている、請求項1から17のいずれか一項に記載の接続装置。
19. 前記漏れのないカップリング(58)はジョンストン（Johnston）型カップリングである、請求項18に記載の接続装置。

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